Полупроводниковые компоненты электронных схем (стр. 7 )

Напряжение Uсз, проб также связано с сопротивлением Rси, отк, т. е. с параметрами n--слоя, поскольку оно измеряется обычно при максимальном отрицательном напряжении Uзи: .

Напряжения Uси, проб и Uсз, проб растут с ростом температуры приблизительно на +0,1 %/°С.

Предельный ток стока Iс, макс также зависит от свойств высокоомного n--слоя. Величина выделяющейся мощности ограничивается тепловым сопротивлением переход-корпус Rт(п-к). Допустимая величина постоянного тока Iс, макс определяется соотношением:

. (2.12)

Очень важное преимущество МДП-транзистора перед биполярным заключается в отсутствии вторичного пробоя. На рис. 2.8 показана прямосмещенная ОБР транзистора, которая строится для положительных (отпирающих) напряжений Uзи. Заштрихована область вторичного пробоя биполярного транзистора.

Рис. 2.8. Сравнительная характеристика прямосмещенных ОБР (ПСОБР) МДП - и биполярного транзистора. МДП-транзистор не подвержен вторичному пробою

Физическое объяснение отсутствия вторичного пробоя в МДП-транзисторе основано на том факте, что внутреннее сопротивление открытого транзистора Rси, отк, фактически являющееся сопротивлением примесного полупроводника, растет с ростом температуры из-за снижения подвижности носителей на +0,6 %/°С. Когда МДП-транзистор включен и работает с максимальным током при минимальном напряжении между истоком и стоком, его можно моделировать резистором, и ток стока определяется соотношением

. (2.13)

Если возрастает температура канала в какой-то отдельной малой области, то электрическое сопротивление этого участка растет, а плотность тока снижается. Таким образом, тепловая неустойчивость не может развиться, а плотность тока оказывается равномерной по сечению канала. Этот эффект дает

возможность создавать параллельные структуры мощных МДП-транзисторов и соединять параллельно дискретные МДП-транзисторы без каких-либо выравнивающих токи устройств. Из-за большей площади ОБР МДП-транзистор является более надежным прибором в сравнении с биполярным.

Обратносмещенная ОБР МДП-транзистора, которая строится для отрицательных (запирающих) напряжений на затворе Uзи, представляет собой прямоугольник, ограниченный Iс, макс и Uси, макс, и не зависит от величины отрицательного Uзи.

2.4.3. Статические характеристики МДП-транзистора

Зависимости тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток (семейство выходных ВАХ) МДП-транзистора приведены на рис. 2.9, а.

Рис. 2.9. Семейство выходных ВАХ мощного МДП-транзистора (а) и зависимость сопротивления открытого транзистора rси от напряжения Uзи (б)

Можно выделить три области выходных ВАХ:

1 – область отсечки, когда напряжение на затворе меньше порогового напряжения открывания транзистора Uзи, пор: транзистор заперт, и в цепи стока протекает малый ток утечки;

2 – активная область, когда Uзи > Uзи, пор, Uси > Uси, гр;

3 – область открытого состояния (соответствует области насыщения биполярного транзистора), когда Uзи > Uзи, пор, Uси < Uси, гр.

В отличие от биполярного транзистора, область открытого состояния не аппроксимируется одной прямой, общей для различных значений управляющего сигнала (Iб для биполярного или Uзи для МДП-транзистора), поскольку сопротивление открытого транзистора Rси, отк и, следовательно, наклон этой прямой зависят от напряжения Uзи.

На рис. 2.9, б показана типовая зависимость сопротивления открытого МДП-транзистора Rси, отк от напряжения на затворе. При увеличении напряжения затвор-исток растет заряд затвора и уменьшается сопротивление канала МДП-транзистора rкан, а значит, и полное сопротивление Rси, отк. Как видно из рис. 2.9, б, влияние управляющего напряжения Uзи на сопротивление открытого транзистора имеет предел, так как оно воздействует только на одну составляющую – rкан, составляющая же rn- от Uзи практически не зависит и определяет минимально достижимое сопротивление открытого транзистора Rси, отк, мин » rn-. Типовое значение напряжения Uзи, при котором достигается минимальное сопротивление открытого транзистора Rси, отк, мин, составляет 10–15 В.

Как видно из рис. 2.9, а, сопротивление Rси, отк при постоянном напряжении Uзи начиная с некоторого значения напряжения Uси возрастает, что объясняется сужением токопроводящего канала в части, наиболее приближенной к стоку. При определенном граничном значении напряжения Uси, гр = Uзи – Uзи, пор наступает смыкание канала из-за смены знака напряжения Uзс, сопротивление канала резко возрастает, вызывая рост Rси, отк, и рост тока Iс после достижения им значения насыщения Iс, нас практически прекращается.

На рис. 2.10, а показана стокозатворная (проходная) ВАХ мощного МДП-транзистора. Из нее видно, что ток Iс начинает возрастать не сразу после появления положительного (отпирающего) напряжения Uзи, а лишь когда оно достигнет порогового значения Uзи, пор, при котором в p-области под затвором между n+-областью истока и n--областью (рис. 2.7, а) индуцируется токопроводящий канал. Типичное значение порогового напряжения Uзи, пор составляет 2–5 В и уменьшается с ростом температуры (рис. 2.10, а) примерно на 5 мВ/°С.

На рис. 2.10, б показана зависимость крутизны МДП-транзистора S от напряжения Uзи при постоянном напряжении Uси. Крутизна определяется наклоном проходной характеристики (рис. 2.10, а) – .

Рис. 2.10. Проходная ВАХ при различных температурах корпуса (а) и зависимость крутизны МДП-транзистора от напряжения затвор-исток (б)

При больших напряжениях Uзи ³ Uзи, гр = Uси + Uзи, пор ток Ic перестает расти из-за смыкания канала – крутизна падает до нуля, определяя верхний предел тока Iс. Температурные изменения крутизны малы и определяются коэффициентом -0,2 %/°С, что обеспечивает хорошую стабильность переключательных характеристик.

Из рис. 2.10, а видно, что напряжение Uзи, гр, при котором происходит смыкание канала, имеет отрицательный температурный коэффициент. Кривые пересекаются при токе стока, равном Ic, т. Если ток стока больше Iс, т, есть опасность разрушения структуры при низких температурах, так как при том же напряжении Uзи ток стока значительно возрастет. Работа вблизи напряжений, соответствующих Ic, т, требует температурной компенсации.

2.4.4. Паразитные емкости МДП-транзистора

На рис. 2.11, а показана эквивалентная схема силового МДП-транзистора для ключевого режима эксплуатации, которая включает в себя паразитные индуктивности выводов (их влияние мы пока не будем рассматривать) и три зависящие от напряжения межэлектродные емкости: Сзс, Сзи и Сси. Их значения определяются размерами кристалла и технологией изготовления. Поэтому приборы, рассчитанные на большие токи и состоящие из множества параллельных элементарных структур, имеют большие емкости (при параллельном соединении емкости, как известно, складываются). Значения этих емкостей сильно зависят от напряжения сток-исток.

Рис. 2.11. Эквивалентная схема МДП-транзистора для ключевого режима работы (а), зависимости емкостей МДП-транзистора, измеряемых изготовителем (б) и межэлектродных емкостей (в) от напряжения сток-исток и зависимость Сзи от напряжения затвор-исток (г)

Производители приборов обычно не дают значений межэлектродных емкостей Сзс, Сзи и Сси, а измеряют значения входной емкости С11И, выходной емкости С22И при включении транзистора с общим истоком и емкости обратной связи (проходной емкости) С12И. На рис. 2.11 даны типовые зависимости межэлектродных емкостей и емкостей, характеризующих транзистор как многополюсник (С11И, С22И, С12И) от напряжения сток-исток. Здесь же приведена зависимость емкости Сзи от напряжения на ней.

С11И – емкость между затвором и истоком при коротком замыкании между стоком и истоком:

С11И » Сзи + Сзс. (2.14)

С22И – емкость между стоком и истоком при коротком замыкании между затвором и истоком:

С22И » Сзс + Сси. (2.15)

С12И – емкость между затвором и стоком при коротком замыкании между стоком и истоком [4]:

С12И = Сзс. (2.16)

Обычно измерения емкостей С11И, С22И и С12И производят на частоте 1 МГц, а короткое замыкание между соответствующими выводами осуществляют при помощи внешних высокочастотных конденсаторов достаточно большой емкости.

2.4.5. Эффект в МДП-транзисторе

Время переключения МДП-транзистора ограничено предельно допустимой скоростью переключения. Для оценки скорости изменения напряжения uси введен параметр , называемый скоростью нарастания/спада сигнала.

На рис. 2.12 показаны токи, обусловленные перезарядом емкостей Cзс и Сзи при изменении напряжения uси в отсутствие входного напряжения.